杜绝星际污染，细菌遗传学显妙用

编译 舒愉棉

鉴别出能够在外太空存活的地球微生物能够帮助科学家在未来的空间飞行任务以及寻找外星生命的航行中消灭它们。

身着无菌服的技术人员正在对好奇号火星探测器进行试驾检查。出于地球微生物对火星可能会造成污染的潜在风险考虑，好奇号的火星之旅在2012年至2016年间曾数次延期

在1971年上映的科幻惊悚片《人间大浩劫》中，一颗美国军用卫星Scoop VII号坠落在新墨西哥州的皮德蒙特高原的一个偏僻的小镇上，卫星所载外星微生物几乎杀死了小镇上的所有人，影片中的科学家手忙脚乱地对微生物的入侵进行控制、对其特性进行鉴定并阻止其对人类造成毁灭。也许上述的一幕在现实生活中显得有些遥远，在现实生活中，美国宇航局（NASA）、各国太空署以及全球学术研究机构的研究人员一直以来都致力于确保：带回小行星或彗星样本的飞船不会像电影中的卫星一样带回来不该带的外星生物。与此同时，他们也在研究如何杜绝抗性极强的细菌搭上地球发出的便车，一同前往火星、土星和木星的卫星、太阳系的其他星球。

“地球充满了细菌，正如字面意思一样，我们完全就是‘沐浴’在细菌之中”，来自东卡罗莱纳大学的天体生物学与空间污染专家约翰·鲁梅尔（John Rummel）在接受《科学家》杂志采访时说道，“行星保护这一概念指的是发射出的飞行器能够不携带地球上的细菌前往到宇宙各处去，也能在返回时不带任何外来生物回到地球来。”

科学家们首次提出对星际污染的担忧是在1956年，也就是苏联向近地轨道发射人造卫星的前一年。出于这一担忧，1958年，国际科学联盟理事会的下属委员会设计了行星保护的雏形架构，并成立了空间研究委员会（the Committee on Space Research，COSPAR）来对行星保护进行监管。最早的灭菌措施包括了对飞行器各部件进行极高温灭菌，这一措施在20世纪70年代广泛使用，直到任务是拍摄火星表面照片和寻找生命存在的“维京”号系列探测器发射为止。

然而随着飞行器的设计越来越复杂，研究人员发现，要想在预算范围内设计出既能够承受住强度极高的灭菌措施、又能够在探索宇宙时执行精细任务的探测器是越来越难了。鲁梅尔介绍时说到，如今COSPAR对飞行器的要求是船体携带细菌孢子不超过30万，在某些任务中甚至要求不超过3万。出于上述种种原因，灭菌净化措施这些年来一直在不断调整和完善，当建造飞行器和飞船时时，不同的建造阶段都会进行携菌检测，从而确保不会有太多的细菌孢子依附在飞行器各部件的内外沿上。

1975年，“维京”号火星着陆器正在飞船发射前接受短时间干燥高温灭菌

与NASA研究人员一起共事的休斯顿大学微生物学家马德罕·蒂鲁马莱（Madhan Tirumalai）则和另外的科学家选择用另一种方式来帮助降低飞船的携菌量：研究微生物从各种灭菌净化方法（例如紫外线照射和双氧水蒸汽）中幸存下来的原因。“细菌孢子非常的顽强，”他在接受《科学家》杂志采访时谈道，“它们能够在环境中休眠数十万年，直到遇到合适的条件时再萌发。”

蒂鲁马莱及其研究小组在研究能够在飞船洁净室和国际空间站的极端环境下产生孢子的两种菌株的基因组：沙福芽孢杆菌FO-36bT（Bacillus safensisFO-36bT）和短小芽孢杆菌SAFR-032（B．pumilus SAFR-032），这两种菌株产生的孢子可以抵抗紫外线照射和过氧化物处理。研究小组最近在将这两种菌株与多种不耐紫外线照射或过氧化物的芽孢杆菌以及在两艘驶向火星的飞船发射前发现的沙福芽孢杆菌MERTA-8-2（B. safensisMERTA-8-2）的基因组进行比对。目前，沙福芽孢杆菌FO-36bT的全基因组测序工作已经完成，研究小组则开始对其基因组进行鉴定，以期找到与细菌孢子的抗性相关的基因。

在2018年6月发表在《生物医学中心·微生物学》（BMC Microbiol）上的研究论文中，蒂鲁马莱及其研究小组在沙福芽孢杆菌FO-36bT中鉴定出了9个在其他沙福芽孢杆菌菌株和短小芽孢杆菌中没有的基因，而在美国国家生物技术信息中心（NCBI）的核苷酸数据库中目前也尚无这9个基因的相关记录。有4个基因与噬菌体相关，噬菌体是一种能够感染细菌并将遗传物质插入或重组到被感染细菌基因组中的病毒，从而使得该细菌获得抗性。蒂鲁马莱指出，下一步则是研究由这些独特基因表达出的蛋白质，看看它们是否在孢子抗紫外线照射和过氧化物处理的特性上发挥作用。

同样参与这一研究的德克萨斯州立大学微生物学家罗伯特·麦克林（Robert Mclean）则称这一研究“极为精彩”，并说这一研究成果可以确保搭上宇宙飞船便车的细菌不会对宇航员造成伤害和对其他行星造成污染，从而提升未来长途宇宙航行的成功率。尽管蒂鲁马莱及其研究小组尚未精确描绘出细菌孢子形成抗性的遗传机制，麦克林在接受采访时说道，他们已经将范围缩小到了几种可能性上。现在，研究团队正在开展后续的实验，观察细菌孢子抗性在敲除这些基因之后是继续存在还是消失，然后再重新将这些基因插入到基因组中看抗性是否能够得到恢复。如果这些实验能够顺利完成，那么就能鉴定出对目前已有的灭菌处理办法产生抗性相关的基因和基因通路，并在接下来设计出能够阻断这些通路的小分子物质，从而杀死具有抗性的孢子、进而阻止它们在外太空繁殖。

蒂鲁马莱还指出，总会有什么能够躲过净化措施存活下来。如果科学家能够鉴定出产生抗性的基因或者基因表达通路，除了助力宇宙污染保护外，也可以通过研究出可以将这些具有抗性的“外来”细菌鉴定出来的生物标记物来做更多的事，比如说，如果有太空任务在其他星球发现了微生物生命时，这一技术就能帮助研究人员确定所发现的微生物的确来自地球之外。“当然，我们需要掌握相关背景”，蒂鲁马莱强调，“只有这样，研究人员才能将疑似外来生物与地球生物区别开来。”

资料来源 The Scientist